Grâce à une nouvelle approche informatique, les chercheurs du SISSA ont pu effectuer ce calcul fascinant. De plus, selon leurs travaux, environ 1% de l’ensemble de la matière ordinaire (baryonique) est enfermé dans des trous noirs de masse stellaire.
Combien de trous noirs y a-t-il dans l’Univers ? C’est l’une des questions les plus pertinentes et les plus pressantes de l’astrophysique et de la cosmologie modernes. Alex Sicilia, doctorant de SISSA, supervisé par le professeur Andrea Lapi et le docteur Lumen Boco, ainsi que d’autres collaborateurs de SISSA et d’autres institutions nationales et internationales, se sont récemment penchés sur cette question fascinante. Dans le premier article d’une série qui vient d’être publiée dans The Astrophysical Journal, les auteurs ont étudié la démographie des trous noirs de masse stellaire, c’est-à-dire des trous noirs dont la masse est comprise entre quelques masses et quelques centaines de masses solaires et qui sont apparus à la fin de la vie des étoiles massives.
“Le caractère innovant de ce travail réside dans le couplage d’un modèle détaillé d’évolution stellaire et binaire avec des recettes avancées de formation d’étoiles et d’enrichissement en métaux dans des galaxies individuelles. Il s’agit de l’un des premiers, et l’un des plus robustes, calculs ab initio de l’évolution stellaire et binaire. trou noir à travers l’histoire cosmique”. – Alex Sicilia, premier auteur de l’étude
Selon la nouvelle recherche, une quantité remarquable d’environ 1% de la matière ordinaire (baryonique) globale de l’Univers est enfermée dans des trous noirs de masse stellaire. De manière étonnante, les chercheurs ont découvert que le nombre de trous noirs dans l’Univers observable (une sphère d’un diamètre d’environ 90 milliards d’années-lumière) est actuellement d’environ 40 milliards de milliards (c’est-à-dire environ 40 x 1018soit 4 suivi de 19 zéros).
Une nouvelle méthode pour calculer le nombre de trous noirs
Comme l’expliquent les auteurs de la recherche : “Cet important résultat a été obtenu grâce à une approche originale qui combine le code d’évolution stellaire et binaire de pointe SEVN développé par le chercheur SISSA, le Dr Mario Spera, à des prescriptions empiriques pour les propriétés physiques pertinentes des galaxies, notamment le taux de formation d’étoiles, la quantité de masse stellaire et la métallicité du milieu interstellaire (qui sont tous des éléments importants pour définir le nombre et les masses des trous noirs stellaires). En exploitant ces ingrédients cruciaux dans une approche autoconsistante, grâce à leur nouvelle méthode de calcul, les chercheurs ont ensuite dérivé le nombre de trous noirs stellaires et leur distribution de masse à travers toute l’histoire de l’Univers. Alex Sicilia, premier auteur de l’étude, commente : “Le caractère innovant de ce travail réside dans le couplage d’un modèle détaillé d’évolution stellaire et binaire avec des recettes avancées de formation d’étoiles et d’enrichissement en métaux dans des galaxies individuelles. C’est l’un des premiers, et l’un des plus robustes, calculs ab initio de la fonction de masse des trous noirs stellaires à travers l’histoire cosmique.”
Quelle est l’origine des trous noirs stellaires les plus massifs ?
L’estimation du nombre de trous noirs dans l’Univers observable n’est pas la seule question étudiée par les scientifiques dans ce travail de recherche. En collaboration avec le Dr Ugo Di Carlo et le Prof. Michela Mapelli de l’Université de Padoue, ils ont également exploré les différentes voies de formation des trous noirs de différentes masses, comme les étoiles isolées, les systèmes binaires et les amas stellaires. D’après leurs travaux, les trous noirs stellaires les plus massifs proviennent principalement d’événements dynamiques dans les amas stellaires. Plus précisément, les chercheurs ont montré que de tels événements sont nécessaires pour expliquer la fonction de masse des trous noirs coalescents, telle qu’elle a été estimée à partir des observations d’ondes gravitationnelles par l’Observatoire de la Terre. LIGO/Virgo.
Lumen Boco, co-auteur de l’article, commente : “Notre travail fournit une théorie robuste pour la génération de graines légères pour les trous noirs (super)massifs à haut décalage vers le rouge, et peut constituer un point de départ pour étudier l’origine des ‘graines lourdes’, que nous poursuivrons dans un prochain article.
Un travail multidisciplinaire réalisé dans le cadre de “BiD4BESt – Big Data Application for Black Hole Evolution Studies”.
Le professeur Andrea Lapi, superviseur de Sicilia et coordinateur du doctorat en astrophysique et cosmologie à la SISSA, ajoute : “Cette recherche est réellement multidisciplinaire, couvrant des aspects de l’astrophysique stellaire, de la formation et de l’évolution des galaxies, de l’astrophysique des ondes gravitationnelles et des multi-messagers, et nécessitant une expertise dans ces domaines.groupe d’astrophysique et de cosmologie, et un solide réseau de collaborateurs externes.”
Le travail d’Alex Sicilia s’inscrit dans le cadre d’un prestigieux projet de réseau de formation innovant “BiD4BESt – Big Data Application for Black Hole Evolution Studies”, co-piloté par le professeur Andrea Lapi de SISSA (H2020-MSCAITN-2019 Project 860744), qui a été financé par l’Union européenne à hauteur de 3,5 millions d’euros ; il implique plusieurs partenaires universitaires et industriels, afin de fournir une formation doctorale à 13 chercheurs débutants dans le domaine de la formation et de l’évolution des trous noirs, en exploitant des techniques avancées de science des données.
Référence : “La fonction de masse des trous noirs à travers les temps cosmiques. I. Stellar Black Holes and Light Seed Distribution” par Alex Sicilia, Andrea Lapi, Lumen Boco, Mario Spera, Ugo N. Di Carlo, Michela Mapelli, Francesco Shankar, David M. Alexander, Alessandro Bressan et Luigi Danese, 12 janvier 2022, The Astrophysical Journal.
DOI : 10.3847/1538-4357/ac34fb
